真菌的双重使命:保护甲虫，攻击植物

龟叶甲虫享受着真菌提供的保护，免受蚂蚁等昆虫捕食者的伤害，然后把微生物带到它们的真菌共生体感染的共同植物宿主上。

　　

进化生物学家Hassan Salem和Aileen Berasategui想知道，幼年龟叶甲虫(Chelymorpha alternans)身上的白色蜡状物质是由什么构成的。最常见的假设是，它是某种分泌物，类似于介子虫产生的分泌物，但“它出现在了它不该出现的地方。”

出于好奇，他们和同事决定进行调查。Tübingen大学的Berasategui说:“当我们把白色物质放在培养皿上，然后它就生长了，这是非常令人惊讶的。”他们在2020年进行的测试显示，这种物质是微生物，但他们还不知道它是哪种微生物，也不知道它是否会影响甲虫。

甲虫背上的真菌

 

该团队随后发表在8月19日的《Current Biology》杂志上的一篇分析文章揭示了这种物质是真菌尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum），并记录了它与甲虫复杂的共生关系。在甲虫脆弱的蛹期，真菌以某种方式抵御昆虫捕食者。然后，当成年甲虫从它们的蛹中出来时，它们将真菌传播到它们的共同宿主植物，例如甘薯植物(Ipomoea batatas)。在这种多物种动态中增加的复杂性是，真菌共生导致宿主植物萎蔫病。

牛津大学进化生物学家Kim Hoang说:“我认为这项研究非常有趣，因为它描述了一种对一个宿主有益，但对另一个宿主有害的共生关系。”他没有参与这项研究，但他帮助该杂志的一位同行评议者对这篇论文进行评论。

通过扫描电子显微镜和基因测序，研究人员首先确定了罪魁祸首:丝状真菌F. oxysporum，一种众所周知的植物病原体。作者写道，这种真菌在甲虫的整个生命周期中都能被检测到，这表明甲虫有一种终生的共生关系。但研究人员将他们的分析集中在蛹阶段，因为他们观察到，在蛹开始后不久，真菌的生长增加了1000倍。研究小组成员推测，在甲虫6天的化蛹期，真菌可能是阻止蚂蚁等捕食者的关键，因为它们不像其他一些昆虫那样结保护性的茧。

为了验证这一点，研究人员测量了98只甲虫蛹在它们的自然栖息地(巴拿马雨林的下层植被)的不同条件下的存活率。其中一半被清洗干净，放在密封的笼子里，防止食肉昆虫进入，或者放在暴露的笼子里。没有清除真菌的甲虫也被放置在两种类型的笼子中。所有在密封笼子里的甲虫都活了下来，但那些在暴露的就没那么幸运了。然而，那些带有保护真菌的暴露组表现不错，88%的虫子在4天的测试期间存活下来，相比之下，没有这种真菌的只有43%存活下来。

“所以蛹的反捕食或防御功能很明显，”Salem到真菌时说。目前还不清楚这种真菌是如何具体阻止甲虫捕食者的，但研究人员在调查这种真菌的基因组时发现，负责产生已知具有杀虫特性的代谢物的基因簇。

Berasategui说，由于已知尖孢镰刀菌对植物的致病特性，研究人员接着问，这种特别喜欢甲虫的菌株在与甲虫建立保护性共生关系时，是否保持了这种破坏性功能。她说，研究结果表明，这种真菌过着双重生活，一种是甲虫的保护者，另一种是宿主植物的攻击者——但它可能需要甲虫搭车。

扫描电子显微镜图像

 

Berasategui和他的同事们发现，将龟甲虫的本地宿主甘薯植物暴露在这种真菌中，在三周的时间内持续引发萎蔫病。此外，当他们将10株无真菌的植物与两株刚从蛹中出来的甲虫隔离时，甲虫在四周的时间内将病原体传播到植物近80%的叶子上。

甲虫传播一种能杀死寄主植物的毒素似乎会适得其反，而寄主植物是甲虫一生赖以生存的植物。但研究人员表示，情况可能更为复杂。一种假设是甲虫可能更喜欢被真菌诱导的枯萎病削弱的植物，因为这种疾病削弱了植物对它们食草性的防御能力。Salem指出:“是的，它在植物上完成了整个生命周期，但也可以很容易地在这棵植物枯萎后转移到新植物上。”

Salem说，最初让研究人员感到惊讶的一个结果是，与这个物种组中的大多数其他菌株相比，这种F. oxysporum菌株的基因组是如此之小。他解释说，其他菌株有大量的基因组，可以帮助它们部署不同的策略，在不同的寄主植物上定植。“但如果你有一种甲虫，它实际上是把你从一种植物带到另一种植物的载体，也许你不需要这些附属基因集。”

Hoang说，下一步可能是进一步探索防御机制背后的具体工作机制。她赞扬了研究作者将基因组研究、实验室工作和实地实验相结合的方法。“他们使用了不同的方法来讲述一个关于共生关系的更完整的故事，”Hoang说。她说:“他们不仅关注宿主和共生体，还研究了它们之间的相互作用如何影响生态群落的其他成员。我认为这绝对是更多研究人员应该做的事情。”